[論文レビュー] Interplay of Higgs and Sparticle Masses in the CMSSM with updated SUSY constraints

A. Belyaev, Shahida Dar+3 more|arXiv (Cornell University)|Dec 6, 2007

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 106被引用数 9

ひとこと要約

本稿は、更新された実験的制約（170.9 GeVの下限topクォーク質量、LEP2チャージンオ制限、希少B崩壊、WMAPのダークマター再結合密度）を用いて、制約付き最小超対称理論模型（CMSSM）におけるヒッグス粒子とスパートクル質量の相関を調査する。LHCにおける正確なヒッグス粒子質量測定と直接的ダークマター検出が、特に三重項結合 $A_0$ のパラメータ空間を顕著に制約し、フォーカスポイントおよびヒッグス粒子/ファネル領域におけるデゲネラシーを10%未満の精度で解消できることを示している。

ABSTRACT

We estimate the bounds on Higgs and sparticle masses and discuss their correlations in the constrained minimal supersymmetric standard model (CMSSM). In our analysis we have applied the present constraints from collider and low energy experiments, as well as the experimental bound on cold dark matter from WMAP. For a given lightest Higgs boson mass, which is expected to be measured with good precision at the LHC, we find important correlations between the Higgs and sparticle masses which allows one to delineate the MSSM model parameters and particle spectra. We have also demonstrated an important complementarity between the LHC and direct dark matter detection experiments emphasizing that by including the experimental input both from collider physics and from dark matter detection experiments, one would significantly improve the measurement of the SUSY spectrum and the underlying parameter space.

研究の動機と目的

• 170.9 GeVの更新されたtopクォーク質量を用いて、CMSSMパラメータ空間を再評価すること。
• LEP2、希少B崩壊などのコライダー物理学の最新制約および低エネルギー実験の制約を統合すること。
• WMAPの冷たいダークマター再結合密度の上限を用いて、CMSSMパラメータ空間を制約すること。
• LHCおよび直接検出実験で探査可能な、最軽いヒッグス粒子質量（$m_h$）とスパートクル質量の間の強固な相関を特定すること。
• LHCと直接的ダークマター検出の相補性が、CMSSMパラメータ空間の解消および $A_0$ の決定にどのように寄与するかを示すこと。

提案手法

• パラメータ空間のグローバルスキャンを実施し、$m_0 \lesssim 5$ TeV、$m_{1/2} \leq 2$ TeV、$|A_0| \leq 2$ TeV、$\tan\beta = 5, 10, 50, 53$ を設定する。
• 放射線的電弱対称性の破れ条件を用いて、$\Delta a_\mu$ を根拠に $\mu$ と $\mu > 0$ を決定する。
• LEP2チャージンオ探索、希少B崩壊（例：$b \to s \gamma$）、およびWMAPの冷たいダークマター再結合密度からの制約を適用する。
• フェ Feynman 図計算およびスペクトル生成プログラム（例：SOFTSUSY）を用いて、$m_h$、スパートクル質量、およびニュートリノ-核子散乱断面積を計算する。
• パラメータ空間全体にわたる $m_h$、$m_A$、$m_{\tilde{g}}$、$m_{\tilde{Z}_1}$、および $A_0$ 間の相関を分析する。
• 直接検出実験（CDMS2、SuperCDMS、XENON-1トン）の予想感度とLHCにおけるヒッグス粒子質量測定を比較し、相補性を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 更新された制約、特に下限topクォーク質量（170.9 GeV）が、許容可能なCMSSMパラメータ空間およびヒッグス粒子質量予測にどのように影響するか？
• RQ2 CMSSMにおける最軽いヒッグス粒子質量（$m_h$）とスパートクル質量（例：$m_{\tilde{g}}$、$m_{\tilde{Z}_1}$）との間の主要な相関は何か？
• RQ3 LHCにおけるヒッグス粒子質量測定と直接的ダークマター検出の組み合わせにより、フォーカスポイントとヒッグス粒子/ファネル領域のデゲネラシーを解消できるか？
• RQ4 SuperCDMS や XENON-1トンなどの直接検出実験が、$A_0$ に起因する異なる共励起パターンをどの程度区別できるか？
• RQ5 理論的不確かさが $m_h$ に1 GeVであると仮定した場合、LHCと直接検出データを組み合わせることで、三重項結合 $A_0$ をどの程度の精度で決定できるか？

主な発見

• 下限topクォーク質量のおかげで、$m_0$ と $|A_0|$ がそれぞれ5 TeVおよび2 TeVに達しても、最軽いヒッグス粒子質量は122–123 GeVに上限がある。
• $m_h$ とスパートクル質量（例：$m_{\tilde{g}}$、$m_{\tilde{Z}_1}$）との強い相関がパラメータ空間に狭いバンドとして現れ、$m_h$ が1%の精度で測定されれば、SUSYスペクトルの正確な予測が可能になる。
• $m_h$–$m_A$ および $m_h$–$m_{\tilde{g}}$ 相関をLHCデータと組み合わせることで、$A_0$ を10%未満の精度で決定できる。
• SuperCDMS や XENON-1トンなどの直接検出実験は、フォーカスポイントおよびヒッグス粒子/ファネル領域を区別でき、非-HB/FPバンドとは明確に分離できる。
• ステージ2（例：SuperCDMS）またはステージ3（例：XENON-1トン）の検出器で陽性信号が得られれば、中性子がHB/FP領域に存在することを確認でき、$m_{\tilde{Z}_1}$–$A_0$ 相関から $A_0$ を抽出できる。
• LHCと直接検出データの組み合わせにより、SUSYスペクトルおよびその背後にあるCMSSMパラメータ、特に $A_0$ の決定が顕著に向上する相補性が示された。